《电动汽车与动力电池》第二章剖析

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2.4 电池及电池组
•3）电池包（Battery Pack）。电池包也常常被称为电池 组，是由多块电池通过串联或并联构成的一个存储电能 或对外输出电能的部件。通常意义上的电池包还包括动 力电池管理系统、电池箱等元器件。对于不包含完整电 池管理功能的电池组通常称为电池模块（Battery Module •4）电池系统（Battery System）电池系统是指由一个以 上电池包通过串联或并联构成的具备完善电池管理系统 的电能供给系统。
图2-5 恒流充电曲线
2.6 充电方法（2）恒压充电法 •在蓄电池充电过程中，充电电源电压始终保持一定，叫 •充电开始时，电池电动势小，所以充电电流很大，对蓄 电池的寿命造成很大影响，〖JP〗且容易使蓄电池极板 弯曲，造成电池报废；充电中期和后期，由于电池极化 作用的影响，正极电位变得更高，负极电位变得更低， 所以电动势增大，充电电流过小，形成长期充电不足， 影响电池的使用寿命。鉴于这种缺点，恒压充电很少使 用，只有在充电电源电压低、工作电流大时才采用。例 如，汽车运行过程中，启动蓄电池就是以恒压充电法充 电的。恒压充电法曲线如图2-6所示。
2.5 电池的基本参数•放电制度就是电池放电时所规定的各种条件，主要包括 放电速率（电流）、终止电压和温度等。 •（1）放电电流 •放电电流是指电池放电时的电流大小。放电电流的大小 直接影响到电池的各项性能指标，因此，介绍电池的容 量或能量时，必须说明放电电流的大小，指出放电的条 件。放电电流通常用放电率表示，放电率是指电池放电 •
2.5 电池的基本参数•放电制度就是电池放电时所规定的各种条件，主要包括 放电速率（电流）、终止电压和温度等。 •（2）放电终止电压 •终止电压值与电池材料直接相关，并受到电池结构、放 电率、环境温度等多种因素影响。一般来说，由于低温 大电流放电时，电极的极化大，活性物质不能充分利用 ，电池的电压下降较快。
2.5 电池的基本参数-成本
•电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产 规模有关，目前新开发的高比能量、比功率的电池，如 锂离子电池成本较高，使得电动汽车的造价也较高。开 发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。
2.5 电池的基本参数•放电制度就是电池放电时所规定的各种条件，主要包括
•（5）变电压、变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电 法 •综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充 电法及变电压间歇充电法的优点，变电压、变电流波浪 式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电 法充电电路的控制一般有两种： •1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管 ）信号的频率是固定的。 •2）脉冲电流幅值固定不变，PWM
•1）脉冲式充电法 •该方法是首先用脉冲电流对电池充电，然后停充一段时 间，再用脉冲电流对电池充电，如此循环，如图2-8所示 。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化 学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉， 使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻 了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地 进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电 池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池
2.6 充电方法-快速充电方法
•图2-12采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流 幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在 此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进
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2.6
•电池充电通常应该完成三个功能：① 尽快使电池恢复额 定容量，即在恢复电池容量的前提下，充电时间越短越 好；② 消除电池在放电使用过程中引起的不良后果，即 修复由于深放电、极化等导致的电池性能 •图2-4 最佳充电曲线
2.6 充电方法•（1）恒流充电法 恒流充电方法是通过调整充电装置 输出电压或改变与蓄电池串联电阻 的方式使充电电流强度保持不变的 充电方法。该方法控制简单，但由 于电池的可接受电流能力是随着充 电过程的进行而逐渐下降的，到充 电后期，充电电流多用于电解水， 产生气体，此时电能不能有效转化 为化学能，多变为热能消耗掉了。 恒流充电曲线如图2-5所示
2.5 电池的基本参数•电池荷电状态（State of Charge，SOC）描述了电池的剩 余电量，是电池使用过程中的重要参数，此参数与电池 •荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示， SOC的取值为：0≤SOC≤100%。目前较统一的是从电量 角度定义SOC，如美国先进电池联合会（USABC）在其 《电动汽车电池实验手册》中定义SOC为：电池在一定 放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。
2.5 电池的基本参数-能量与能量密度
•电池的能量是指电池在一定放电制度下，电池所能释放 出的能量，通常用W· h kW· h 表示。电池的能量分 •（1）理论能量 •假设电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放电电压 E ）的数值，而且活性物质的利用率为 100%，即放电容量为理论容量，则在此条件下电池所输 出的能量为理论能量 •（2）实际能量 •实际能量是指电池放电时实际输出的能量。它在数值上 等于电池实际放电电压、放电电流与放电时间的积分
2.5 电池的基本参数•自放电率是电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自 身放电，使得电池的容量损失的速度，自放电率采用单 位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。
2.5 电池的基本参数•电池的不一致性对于成组应用的动力电池才有意义，电 池的不一致性是电池组的重要参数指标之一，是指同一 规格、同一型号电池在电压、内阻、容量、充电接受能 力、循环寿命等参数方面存在的差别。
2.5 电池的基本参数-电压
•1）电动势。电动势是电池在理论上输出能量大小的度 量之一。如果其他条件相同，那么电动势越高，理论上 能输出的能量就越大。电池的电动势是热力学的两极平
•2）开路电压。开路电压是指在开路状态下（几乎没有 电流通过时），电池两极之间的电势差，一般用C开表示 。电池的开路电压取决于电池正负极材料的活性、电解 质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸大小无关
第 2章
2.1 蓄电池分类2.2 2.3 电池的基本构成 2.4 电池及电池组 2.5 电池的基本参数 2.6 充电方法
2.1 蓄电池分类•1）碱性电池。碱性电池的电解质主要是以氢氧化钾水 溶液为主，如：碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电 •2）酸性电池。酸性电池主要是以硫酸水溶液为介质， •3）中性电池。中性电池是以盐溶液为介质，如锌锰干 •4）有机电解液电池。有机电解液电池主要是以有机溶 液为介质，如锂离子电池等。
2.3
•电池本身可以制成各种形状和结构，如圆柱形 、扣式、扁平和方形。不同形状的电池如图2-3
2.4 电池及电池组
•1）电池单体（Cell）。电池单体是指直接将化学能转化 为电能的基本装置和基本单元，是构成电池的基本元件 •2）电池（Battery）。电池是指由一个以上的电池单体 并联或串联而成，封装在一个物理上独立的电池壳体内 ，具有独立的正极和负极输出。内燃机汽车上常用的 12V或24V启动电池，就是由6片或12片2V的铅酸电池单
•这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基 2-10 电段改为限压变电流间歇充电段。
2.6 充电方法-快速充电方法
•（4）变电压间歇充电法
•在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变 电压间歇充电法，如图2-11所示。变电压间歇 充电法与变电流间歇充电方法不同之处在于第
2.6 充电方法-快速充电方法
2.5 电池的基本参数-放电深度
•放电深度（Depth of Discharge，DOD）是放电容量与额 定容量之比的百分数
2.5 电池的基本参数-
•循环寿命是评价蓄电池使用技术经济性的重要参数。蓄 电池经历一次充电和放电，称为一次循环，或者一个周 期。在一定放电制度下，二次电池的容量降至某一规定 值之前，电池所能耐受的循环次数，称为蓄电池的循环
2.5 电池的基本参数-容量
•电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池容量 C A· h mA· h表示。
2.5 电池的基本参数-内阻
•电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低 ，该阻力称为电池内阻。由于电池内阻的作用，电池放 电时端电压低于电动势和开路电压。充电时充电的端电 压高于电动势和开路电压。电池内阻是化学电源的一个 极为重要的参数。 •电池内阻不是常数，它在放电过程中根据活性物质的组 成、电解液浓度和电池温度以及放电时间而变化。电池 内阻包括欧姆内阻（和电极在电化学反应时所表现出的 极化内阻，两者之和称为电池的全内阻。
2.6 充电方法-
2.6 充电方法（3）阶段充电法 该方法包含多种充电方法的组合，如先恒流后恒压充电 法、多段恒流充电法、先恒流再恒压最后恒流充电法等。 常用的为先恒流再恒压的充电方式，如铅酸电池、锂离 子电池常采用该种方式充电。图2 7中曲线为该铅酸电 池充电参数变化情况。
2.6 充电方法-快速充电方法
2.1 蓄电池分类•1）一次电池。一次电池又称原电池，即不能再充电使 •2）二次电池。二次电池即可充电电池，如铅酸电池、
•3）燃料电池。燃料电池中，活性材料在电池工作时才 连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池、金属燃
•4）储备电池。储备电池储存时电极板不直接接触电解 液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁—氯化银电 池又称海水激活电池。
•3）额定电压。额定电压也称公称电压或标称电压，指 的是在规定条件下电池工作的标准电压。
2.5 电池的基本参数-电压
•4）工作电压。工作电压是指电池接通负载后在放电过 程中显示的电压，又称负荷（载）电压或放电电压。在 电池放电初始时刻的（开始有工作电流）电压称为初始 电压。电池在接通负载后，由于欧姆内阻和极化内阻的 存在，电池的工作电压低于开路电压，当然也必然低于 电动势。 •5）放电终止电压。对于所有二次电池，放电终止电压 都是必须严格规定的重要指标。放电终止电压也称为放 电截止电压，是指电池放电时，电压下降到不宜再继续 放电的最低工作电压值。根据电池的不同类型及不同的 放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，由此所 规定的放电终止电压也不同。一般而言，在低温或大电 流放电时，终止电压规定得低些；小电流长时间或间歇
2.6 充电方法-快速充电方法
2.6 充电方法-快速充电方法
•（2）ReflexTM快速充电法这种技术是美国的一项专利 技术，最早主要面对的充电对象是镍镉电池。这种充电 方法缓解了镍镉电池的记忆效应问题，并大大降低了蓄 电池快速充电的时间。如图2-9所示
2.6 充电方法-快速充电方法
•（3）变电流间歇充电法
2.5 电池的基本参数•随着充放电循环次数的增加，二次电池容量衰减是个必 然的过程。这是因为在充放电循环过程中，电池内部会 发生一些不可逆的过程，引起电池放电容量的衰减，这
•1）电极活性表面积在充放电循环过程中不断减小，使
•2 •3 •4）在循环过程中电极上生成枝晶，造成电池内部微短 •5 •6）活性物质在充放电过程中发生不可逆晶形改变，因
2.1 蓄电池分类-按电池所用正、负极材料分类
•1 •2 •3 •4）锂系列电池，如锂离子电池、锂聚合物电池和锂硫 •5）二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等。
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2.2
•这就是著名的丹尼尔电池单体反应，如图2-1所示，该 反应可以通过控制正、负极的连接状态实现有效控制，
2.3
•除了主要组成部分外，电池还常常需要导电栅、汇流体 、端子、安全阀等零件。基本构成示意如图2-2
2.5 电池的基本参数-功率与功率密度
•（1）功率 •电池的功率是指电池在一定的放电制度下，单位时间内 电池输出的能量，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。 •（2）功率密度 •单位质量或单位体积电池输出的功率称为功率密度，又 称比功率，单位为W/kg或W/L。比功率的大小，表征电 池所能承受的工作电流的大小，电池比功率大，表示它 可以承受大电流放电。比功率是评价电池及电池组是否 满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。